模擬電路 第一章 常用半導(dǎo)體器件

電子系統(tǒng)抽象模型電子系統(tǒng)基本電路1基本電路2基本電路3基本元器件1基本元器件2基本元器件3子系統(tǒng)1子系統(tǒng)2子系統(tǒng)3根本元器件根本電路12’〔300mm〕第一章常用半導(dǎo)體器件1.1半導(dǎo)體根底知識1.2半導(dǎo)體二極管1.3雙極型三極管在物理學(xué)中，根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將它們劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體(Semiconductor)。銅導(dǎo)線(左上)、玻璃絕緣體(左下)和硅晶體(上)1.1半導(dǎo)體根底知識1.半導(dǎo)體及其材料

·導(dǎo)體:電阻率ρ小于10-3Ω·cm·絕緣體:ρ大于108Ω·cm·半導(dǎo)體:ρ介于導(dǎo)體和絕緣體之間。1.1半導(dǎo)體根底知識1、摻雜性：半導(dǎo)體中摻雜后，其電阻率大大下降，晶體管。2、熱敏性：電阻率隨著溫度的變化而變化，熱敏電阻。3、光敏性：電阻率隨著光照增強(qiáng)而下降，光敏元件。1.1半導(dǎo)體根底知識半導(dǎo)體的特性

常用半導(dǎo)體材料有:硅〔Si〕、鍺〔Ge〕，也有三-五族化合物半導(dǎo)體：GaAs、GaP等1.1半導(dǎo)體根底知識硅原子Si簡化模型鍺原子Ge簡化模型1.1半導(dǎo)體根底知識1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.1本征半導(dǎo)體—IntrisicSemiconductor本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純潔的半導(dǎo)體晶體硅晶體的結(jié)構(gòu)制造半導(dǎo)體器件的硅材料的純度要到達(dá)99.9999999%，常稱為“九個(gè)9〞。1.1半導(dǎo)體根底知識1.單晶硅的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)1.1.1本征半導(dǎo)體—IntrisicSemiconductor在絕對溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。價(jià)電子1.1半導(dǎo)體根底知識2.電子空穴對的產(chǎn)生當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，束縛電子獲得能量，局部電子掙脫原子核的束縛，成為自由電子，與此同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，稱為空穴(hole)。1.1半導(dǎo)體根底知識2.電子空穴對的產(chǎn)生本征激發(fā)〔熱激發(fā)〕

電子和空穴都是載流子

在本征半導(dǎo)體中自由電子和

空穴的濃度相等自由電子空穴3.空穴導(dǎo)電1.1半導(dǎo)體根底知識1.1半導(dǎo)體根底知識3.空穴導(dǎo)電當(dāng)相鄰位置的價(jià)電子填補(bǔ)空穴時(shí)，在原來空穴位置形成共價(jià)鍵，而在原來價(jià)電子的位置形成空穴。這個(gè)過程叫空穴的移動，空穴移動方向與價(jià)電子移動方向相反。

當(dāng)產(chǎn)生空穴后，由于熱運(yùn)動，空穴周圍共價(jià)鍵中相近價(jià)電子很容易填補(bǔ)空穴?？昭◣б粋€(gè)單位的正電荷當(dāng)不加外電場時(shí)，空穴的填補(bǔ)無規(guī)那么當(dāng)外加電場時(shí)，空穴的填補(bǔ)也會定向空穴導(dǎo)電本質(zhì)：價(jià)電子的移動1.1半導(dǎo)體根底知識4.電子空穴的復(fù)合1.1半導(dǎo)體根底知識4.電子空穴的復(fù)合

當(dāng)自由電子填補(bǔ)共價(jià)鍵中的空位(空穴)時(shí)，自由電子就會釋放能量，又形成共價(jià)鍵。這個(gè)過程叫電子空穴的復(fù)合釋放能量在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，到達(dá)動態(tài)平衡，電子空穴對的濃度一定。1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體—ExtrisicSemiconductor

本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體.在半導(dǎo)體中電子濃度與空穴濃度乘積是恒定的，與摻雜濃度無關(guān).

本征半導(dǎo)體中摻雜后，其導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素(磷、砷等)本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素(硼、鎵等)N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體1.1半導(dǎo)體根底知識施主原子多余電子受主原子空穴

在N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目遠(yuǎn)多于空穴數(shù)目

電子為多數(shù)載流子(majoritycarrier)，簡稱：多子

空穴為少數(shù)載流子(minoritycarrier)，簡稱：少子P型半導(dǎo)體剛好相反，電子為少子，空穴為多子

思考：本征半導(dǎo)體中存在多子少子嗎？N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體施主原子自由電子受主原子空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多子與多子例：在T=300K的條件下，本征硅中摻億分之一的5價(jià)原子，硅原子的濃度為5.1×1022/cm3，比照摻雜前后的電子和空穴濃度。雜質(zhì)濃度為p×n=pi

×ni=ni2

p=ni2

/n=(1.43×1010)2

/5.1×1014=4.1×105/cm35.1×1022

/108=5.1×1014/cm31.1半導(dǎo)體根底知識本征半導(dǎo)體中電子空穴的濃度為1.43×1010/cm3n≈5.1×1014/cm3摻雜的結(jié)果是電子變多，空穴變少，載流子總的濃度增加，導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。摻雜前后的電子和空穴濃度比照1.1半導(dǎo)體根底知識摻雜前摻雜后電子濃度1.43×10105.1×1014空穴濃度1.43×10104.1×105電子+空穴2.86×10105.1×1014思考：本征半導(dǎo)體摻雜的目的？結(jié)論：1.1半導(dǎo)體根底知識N型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體簡化示意圖P型半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)P型半導(dǎo)體簡化示意圖如何產(chǎn)生？硅原子在哪里？自由電子空穴1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.3PN結(jié)的形成—PNJunctionP區(qū)N區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動：載流子濃度差引起的運(yùn)動漂移運(yùn)動：載流子在電場作用下的運(yùn)動漂移電流：少數(shù)載流子漂移運(yùn)動形成的電流擴(kuò)散電流：多數(shù)載流子擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流P、N半導(dǎo)體結(jié)合→載流子濃度差→多子的擴(kuò)散→空間電荷區(qū)

diffusionspace-charge→形成內(nèi)建電場→阻礙多子擴(kuò)散，促進(jìn)少子漂移built-inelectricfielddrift1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.3PN結(jié)的形成—PNJunctionP區(qū)N區(qū)復(fù)合空間電荷區(qū)〔耗盡層、PN結(jié)〕+-隨著空間電荷區(qū)的增加→多子擴(kuò)散運(yùn)動減弱

(抑制耗盡層增加)→少子漂移運(yùn)動增強(qiáng)1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.3PN結(jié)的形成—PNJunction最后到達(dá)動態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流+-1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.4PN結(jié)的特性1PN結(jié)的導(dǎo)電特性①加正向電壓(forwardbias)—電源正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反,外電場削弱內(nèi)電場：

→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動＞漂移運(yùn)動→多子擴(kuò)散形成正向電流(大)+-1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.4PN結(jié)的特性1PN結(jié)的導(dǎo)電特性②加反向電壓(reversebias)—電源正極接N區(qū),負(fù)極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同,外電場增強(qiáng)內(nèi)電場：

→耗盡層變寬→擴(kuò)散運(yùn)動<漂移運(yùn)動→少子漂移形成反向電流(小)-+1.1半導(dǎo)體根底知識正偏：多子擴(kuò)散電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于少子漂移電流，多子擴(kuò)散形成很大的正向電流，PN結(jié)表現(xiàn)為很小的電阻，PN結(jié)導(dǎo)通(ON)總結(jié)PN結(jié)：單向?qū)щ娦苑雌憾嘧訑U(kuò)散運(yùn)動無法進(jìn)行，少子漂移，形成很小的反向電流，PN結(jié)表現(xiàn)為很大的電阻，PN結(jié)截止(OFF)1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.4PN結(jié)的特性2PN結(jié)的伏安特性(I/Vcharacteristics)根據(jù)理論分析〔半導(dǎo)體物理〕，pn結(jié)電流方程：

其中，：結(jié)兩端的電壓降：流過pn結(jié)的電流：反向飽和電流(reverse-biassaturationcurrent)與溫度、材料、結(jié)面積、結(jié)構(gòu)有關(guān):溫度的電壓當(dāng)量(thermalvoltage)室溫下〔T=300K〕，正偏時(shí):反偏時(shí):1.1半導(dǎo)體根底知識I/V特性曲線PN結(jié)的擊穿當(dāng)反向電壓增加到一定值時(shí)，由于空間電荷區(qū)的電場很強(qiáng)，會發(fā)生反向擊穿—Breakdown雪崩擊穿-碰撞擊穿Avalanchebreakdown被加速的載流子撞擊晶格，激發(fā)出新的電子-空穴對，又被加速，形成連鎖反響，使電流劇增(Si材料UBR>7V)。齊納擊穿-電場擊穿Zenereffect發(fā)生隧道效應(yīng)，使電流劇增(Si材料，UBR<4V)擊穿又可分為：電擊穿——可恢復(fù)〔可逆〕熱擊穿——燒壞PN結(jié)〔不可逆〕1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.4PN結(jié)的特性3PN結(jié)的電容效應(yīng)①勢壘電容

反偏時(shí)，當(dāng)u變化時(shí)，耗盡層寬度隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。-+②擴(kuò)散電容

正偏時(shí)，PN結(jié)耗盡層兩側(cè)存在非平衡少子的堆積現(xiàn)象，堆積的數(shù)量隨正偏的增加而增加，這也相當(dāng)于電容的充放電。1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.4PN結(jié)的特性3PN結(jié)的電容效應(yīng)圖1–12P區(qū)少子濃度分布曲線對器件的高頻特性有很大的影響結(jié)電容反偏正偏1.1半導(dǎo)體根底知識1.1半導(dǎo)體根底知識1.1.4PN結(jié)的特性4PN結(jié)的溫度特性pn結(jié)電流方程

和都是溫度的函數(shù)，故PN的I/V特性也與溫度有關(guān)。正偏：T反偏：T下移左移思考題：2、在N型半導(dǎo)體中摻入足夠量的三價(jià)元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體3、N型半導(dǎo)體的多子是自由電子，所以它帶負(fù)4、PN結(jié)在無光照，無外加電壓時(shí)，結(jié)電流為零5、PN結(jié)加正電壓時(shí)，空間電荷區(qū)將變寬6、空穴導(dǎo)電本質(zhì)是電子的移動1、在溫度相同的情況下，鍺半導(dǎo)體比硅半導(dǎo)體載流子濃度要高〔√〕〔√〕〔×〕〔√〕〔×〕〔×〕1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)1.2.2二極管的伏安特性與參數(shù)1.2.3二極管的等效電路1.2.4其它半導(dǎo)體二極管常用二極管實(shí)物圖1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。二極管的電氣符號點(diǎn)接觸型結(jié)構(gòu)示意圖①點(diǎn)接觸型二極管特點(diǎn)：結(jié)面積小，結(jié)電容小，承受的電流有限。1.2半導(dǎo)體二極管③平面型二極管②面接觸型二極管面接觸型結(jié)構(gòu)示意圖平面型結(jié)構(gòu)示意圖特點(diǎn)：結(jié)面積大，結(jié)電容大，承受的電流大。特點(diǎn)：采用擴(kuò)散法制成，往往用于集成電路制造工藝中。1.2半導(dǎo)體二極管用途：工頻電路大電流整流電路。用途：PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。用途：高頻電路，小功率整流。1.2半導(dǎo)體二極管二極管與PN結(jié)伏安特性曲線的區(qū)別：1.二極管存在串連電阻R〔半導(dǎo)體體電阻和引線電阻〕2.二級管存在反向漏電流1.2.2二極管的伏安特性

二極管的I/V特性仍由

：反向飽和電流:溫度的電壓當(dāng)量近似描述。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V鍺管0.2~0.3V反向擊穿電壓UBR死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V材料開啟電壓Uon導(dǎo)通電壓V硅Si0.5V0.6~0.8(0.7)鍺Ge0.1V0.1~0.3(0.2)1.2半導(dǎo)體二極管二極管伏安特性與溫度T的關(guān)系1.2.2二極管的伏安特性二極管的正向壓降隨T的增加而降低。一般線性減少2～2.5mV/C°

利用該特性，可以把二極管作為溫度傳感器。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.3二極管的主要參數(shù)1N400系列整流管：3kHz；1N4148開關(guān)管：～MHz最大整流電流：長期工作所允許的最大正向平均電流(2)反向擊穿電壓(3)最大反向工作電壓(通常取的一半)(4)反向電流

(

下的反向電流)(5)最高工作頻率：工作上線頻率超過此頻率，結(jié)電容不能夠忽略，二極管的單向?qū)щ娦允艿狡茐摹?.2半導(dǎo)體二極管1.2.4二極管的等效電路--equivalentcircuit1、理想二極管模型正向工作時(shí)二極管導(dǎo)通電壓等于0,反向時(shí)二極管開路,特性曲線如右圖所示,一般適用于大信號工作狀態(tài),例如邏輯電路、整流電路中。2、開關(guān)模型(恒壓降模型〕-常用正向?qū)〞r(shí)。相當(dāng)于理想二極管串聯(lián)一個(gè)0.7伏〔導(dǎo)通電壓，并非是開啟電壓Uon〕的恒定電壓源，特性曲線如右圖所示。由于該模型比較簡單，在模擬電路中用得比較多。uiRLuiuouiuott例1：二極管半波整流+-+-二極管的應(yīng)用舉例二極管導(dǎo)通電壓UD＝0例2：電路如以下圖所示，ui＝5sinωt〔V〕，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。試畫出ui與uo的波形。二極管的應(yīng)用舉例二極管的優(yōu)先導(dǎo)通問題例3：電路如以下圖所示，二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V，試畫出給出Ui相對應(yīng)的輸出波形Uo二極管的應(yīng)用舉例1.2半導(dǎo)體二極管1.2.4二極管的等效電路--equivalentcircuit3、折線模型正向?qū)〞r(shí)。相當(dāng)于理想二極管串聯(lián)一個(gè)等效電阻

和一個(gè)電壓源Uon，特性曲線如右圖所示。4、微變等效模型（小信號模型）二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。微變電阻的計(jì)算：1.2半導(dǎo)體二極管根據(jù)求出Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)：常溫下T=300K時(shí)：結(jié)論：Q點(diǎn)的改變，也會改變，隨正向電流增大而減小。值得注意的是：是二極管兩端電壓和電流的變化量之比1.2半導(dǎo)體二極管1.2.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后，在一定反向電流范圍內(nèi)反向電壓不隨反向電流變化，這一特點(diǎn)制成的器件。它既具有普通二極管的單向?qū)щ娞匦?，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。1、穩(wěn)壓二極管UIIZIZmaxUZIZ穩(wěn)壓誤差曲線越陡,電壓越穩(wěn)定+-UZ注意：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)動態(tài)電阻：rz越小，性能越好.曲線越陡,電壓越穩(wěn)定穩(wěn)壓二極管1.2半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓Uz在規(guī)定的工作電流Iz下，所對應(yīng)的工作電壓。(2)動態(tài)電阻(3)最大耗散功率

PzM＝Uz×Izmax(4)最大穩(wěn)定工作電流

Izmax,最小穩(wěn)定工作電流

Izmin注意：穩(wěn)壓二極管使用一定要有限流電阻,RL與穩(wěn)壓管是并聯(lián)1.2半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓二極管舉例：例4：穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Uz=6V，穩(wěn)定電流的最小值Izmin=5mA。求以下圖電路中Uo1和Uo2各為多少？1.3雙極型晶體管1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介1.3.2BJT的電流分配與放大原理1.3.3BJT的特性曲線1.3.4BJT的主要參數(shù)三極管實(shí)物圖1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介1.3雙極型晶體管NPN型三極管的結(jié)構(gòu)PNP型三極管的結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu)剖面圖三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):1.3.1BJT的結(jié)構(gòu)簡介1.3雙極型晶體管1、發(fā)射區(qū)的摻雜濃度>>集電區(qū)摻雜濃度。2、基區(qū)很薄(1μm~幾μm)且濃度很低。3、集電區(qū)面積>基區(qū)面積>發(fā)射區(qū)面積。NPN管的符號PNP管的符號ebc

ebc1.3.2BJT的電流分配與放大原理1.3雙極型晶體管外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過載流子傳輸表達(dá)出來的。1.各極的作用：發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收集載流子基區(qū)：傳送和控制載流子1.3雙極型晶體管發(fā)射區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏多數(shù)載流子參與導(dǎo)電集電區(qū)：集電結(jié)反偏少數(shù)載流子參與導(dǎo)電基區(qū)：多數(shù)、少數(shù)載流子都參與導(dǎo)電

各極的導(dǎo)電載流子外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏1.3雙極型晶體管電流分配關(guān)系根據(jù)載流子的運(yùn)動過程可知:其值約為：0.9～0.99。共基直流電流放大系數(shù)Common-baseDCcurrentgain定義1.3雙極型晶體管定義：共射直流電流放大系數(shù)Common-emitterDCcurrentgain〔當(dāng)時(shí)，〕穿透電流C-Ecut-offcurrentβ由材料、摻雜濃度以及工藝有關(guān),反映三極管電流放大能力1.3雙極型晶體管定義：共射交流電流放大系數(shù)Common-emittercurrentgain假設(shè)：變化時(shí)，

不隨之變化，則：事實(shí)上β是與Ic有關(guān)的：其值約為：幾十～數(shù)千常用：幾十～幾百1.3雙極型晶體管1.3.3BJT的特性曲線一、共發(fā)射極輸入特性：1.3雙極型晶體管共發(fā)射極輸入特性曲線共射輸入特性曲線是以uCE為參變量時(shí)，iB與uBE間的關(guān)系曲線，即1.3雙極型晶體管二、共發(fā)射極輸出特性：共射輸出特性曲線是以iB為參變量時(shí)，iC與uCE間的關(guān)系曲線，即1.3雙極型晶體管輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)(1)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

(2)截止區(qū)：

開啟電壓(3)飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。

1.3雙極型晶體管深度飽和臨界飽和三極管工作狀態(tài)總結(jié)1.3雙極型晶體管狀態(tài)發(fā)射結(jié)集電結(jié)IC截止反偏或零偏反偏0放大正偏反偏bIB飽和正偏正偏<bIB1.3雙極型晶體管三極管處于放大狀態(tài)的特點(diǎn)電流關(guān)系電位關(guān)系放大狀態(tài)時(shí):基極電位在中間與基極相差0.2/0.7為發(fā)射極差0.2V為鍺管,相差0.7為硅管VE>VB為NPN溫度上升時(shí)，輸出特性曲線上移，間距增大，β增加，ICEO增大。三、特性曲線與溫度的關(guān)系1.3雙極型晶體管溫度上升時(shí)，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓下降〔負(fù)溫度特性〕,溫度系數(shù)約為-2.5mV/℃。輸出特性：輸入特性：1.3